Las observaciones sugieren un ingrediente faltante en la receta cósmica

Esta imagen del telescopio espacial Hubble muestra el enorme cúmulo de galaxias MACS J1206. Incrustadas dentro del cúmulo están las imágenes distorsionadas de galaxias distantes de fondo, vistas como arcos y rasgos manchados. Estas distorsiones son causadas por la cantidad de materia oscura en el cúmulo, cuya gravedad dobla y magnifica la luz de galaxias lejanas. Este efecto, llamado lente gravitacional, permite a los astrónomos estudiar galaxias remotas que de otro modo serían demasiado débiles para ver. Varias de las galaxias del cúmulo son lo suficientemente masivas y densas como para distorsionar y magnificar también las fuentes lejanas. Las galaxias en las tres extracciones representan ejemplos de tales efectos. En las instantáneas de la parte superior derecha e inferior, dos galaxias azules distantes son captadas por el primer plano, galaxias de cúmulos más rojos, formando anillos y múltiples imágenes de los objetos remotos. Las manchas rojas alrededor de la galaxia en la parte superior izquierda denotan la emisión de nubes de hidrógeno en una sola fuente distante. La fuente, vista cuatro veces debido a la lente, puede ser una galaxia tenue. Estas manchas fueron detectadas por el Explorador espectroscópico de unidades múltiples (MUSE) en el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en Chile. Las manchas no aparecen en las imágenes de Hubble. MACS J1206 es parte de la encuesta Cluster Lensing And Supernova con Hubble (CLASH) y es uno de los tres cúmulos de galaxias que los investigadores estudiaron con Hubble y el VLT. La imagen del Hubble es una combinación de observaciones de luz visible e infrarroja tomadas en 2011 por Advanced Camera for Surveys y Wide Field Camera 3.
Crédito: NASA, ESA, P. Natarajan (Universidad de Yale), G. Caminha (Universidad de Groningen), M. Meneghetti (INAF-Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia), los equipos CLASH-VLT / Zoom; reconocimiento: NASA, ESA, M. Postman (STScI), el equipo CLASH

Los astrónomos han descubierto que puede faltar un ingrediente en nuestra receta cósmica de cómo se comporta la materia oscura.

Los astrónomos han descubierto una discrepancia entre los modelos teóricos de cómo debería distribuirse la materia oscura en los cúmulos de galaxias y las observaciones del control de la materia oscura sobre los cúmulos.

La materia oscura no emite, absorbe ni refleja la luz. Su presencia solo se conoce a través de su atracción gravitacional sobre la materia visible en el espacio. Por lo tanto, la materia oscura sigue siendo tan esquiva como el gato de Cheshire de Alicia en el país de las maravillas, donde solo se ve su sonrisa (en forma de gravedad) pero no el animal en sí.

Una forma en que los astrónomos pueden detectar la materia oscura es midiendo cómo su gravedad distorsiona el espacio, un efecto llamado lente gravitacional.

Los investigadores encontraron que las concentraciones de materia oscura a pequeña escala en grupos producen efectos de lente gravitacional que son 10 veces más fuertes de lo esperado. Esta evidencia se basa en observaciones detalladas sin precedentes de varios cúmulos de galaxias masivas por NASAes telescopio espacial Hubble y el Observatorio Europeo Austral Telescopio muy grande (VLT) en Chile.

Los astrónomos parecen haber revelado un detalle desconcertante en la forma en que se comporta la materia oscura. Encontraron concentraciones pequeñas y densas de materia oscura que doblan y magnifican la luz con mucha más fuerza de lo esperado. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Los cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas del universo compuestas por galaxias miembros individuales, son los depósitos más grandes de materia oscura. No solo se mantienen unidas en gran medida por la gravedad de la materia oscura, sino que las galaxias individuales del cúmulo están repletas de materia oscura. Por tanto, la materia oscura en racimos se distribuye tanto a gran como a pequeña escala.

«Los cúmulos de galaxias son laboratorios ideales para comprender si las simulaciones por computadora del universo reproducen de manera confiable lo que podemos inferir sobre la materia oscura y su interacción con la materia luminosa», dijo Massimo Meneghetti del INAF (Instituto Nacional de Astrofísica) -Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia en Italia, autor principal del estudio.

«Hemos realizado muchas pruebas cuidadosas al comparar las simulaciones y los datos en este estudio, y nuestro hallazgo de la falta de coincidencia persiste», continuó Meneghetti. «Un posible origen de esta discrepancia es que es posible que nos falten algunas físicas clave en las simulaciones».

Priyamvada Natarajan de Universidad de Yale en New Haven, Connecticut, uno de los principales teóricos del equipo, agregó: “Hay una característica del universo real que simplemente no estamos capturando en nuestros modelos teóricos actuales. Esto podría indicar una brecha en nuestra comprensión actual de la naturaleza de la materia oscura y sus propiedades, ya que estos datos exquisitos nos han permitido sondear la distribución detallada de la materia oscura en las escalas más pequeñas «.

El artículo del equipo aparecerá en la edición del 11 de septiembre de la revista. Ciencias.

La distribución de la materia oscura en cúmulos se mapea a través de la curvatura de la luz o el efecto de lente gravitacional que producen. La gravedad de la materia oscura aumenta y distorsiona la luz de los objetos distantes del fondo, al igual que un espejo de la casa de la risa, produciendo distorsiones y, a veces, múltiples imágenes de la misma galaxia distante. Cuanto mayor es la concentración de materia oscura en un cúmulo, más dramática es la curvatura de la luz.

Las imágenes nítidas del Hubble, junto con los espectros del VLT, ayudaron al equipo a producir un mapa de materia oscura preciso y de alta fidelidad. Identificaron docenas de galaxias de fondo con múltiples imágenes y lentes. Midiendo las distorsiones de las lentes, los astrónomos pudieron rastrear la cantidad y distribución de materia oscura.

Los tres cúmulos de galaxias clave utilizados en el análisis, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 y Abell S1063, fueron parte de dos estudios del Hubble: The Frontier Fields y el estudio Cluster Lensing And Supernova with Hubble (CLASH). programas.

Para sorpresa del equipo, las imágenes del Hubble también revelaron arcos de menor escala e imágenes distorsionadas anidadas dentro de las distorsiones de lentes de mayor escala en el núcleo de cada cúmulo, donde residen las galaxias más masivas.

Los investigadores creen que las lentes incrustadas son producidas por la gravedad de densas concentraciones de materia oscura asociadas con los cúmulos de galaxias individuales. Se sabe que la distribución de la materia oscura en las regiones internas de las galaxias individuales mejora el efecto de lente general del cúmulo.

Se agregaron observaciones espectroscópicas de seguimiento al estudio midiendo la velocidad de las estrellas que orbitan dentro de varias de las galaxias del cúmulo. “Basado en nuestro estudio espectroscópico, pudimos asociar las galaxias con cada cúmulo y estimar sus distancias”, dijo el miembro del equipo Piero Rosati de la Universidad de Ferrara en Italia.

“La velocidad de las estrellas nos dio una estimación de la masa de cada galaxia individual, incluida la cantidad de materia oscura”, agregó el miembro del equipo Pietro Bergamini del Observatorio INAF de Astrofísica y Ciencias Espaciales en Bolonia, Italia.

El equipo comparó los mapas de materia oscura con muestras de cúmulos de galaxias simulados con masas similares, ubicadas aproximadamente a las mismas distancias que los cúmulos observados. Los cúmulos en las simulaciones por computadora no mostraron el mismo nivel de concentración de materia oscura en las escalas más pequeñas, las escalas asociadas con los cúmulos de galaxias individuales como se ve en el universo.

El equipo espera continuar con las pruebas de estrés del modelo estándar de materia oscura para precisar su naturaleza intrigante.

El telescopio espacial Nancy Grace Roman planeado por la NASA detectará galaxias aún más remotas a través de lentes gravitacionales por cúmulos de galaxias masivas. Las observaciones ampliarán la muestra de grupos que los astrónomos pueden analizar para probar más los modelos de materia oscura.

Referencia: «Un exceso de lentes gravitacionales a pequeña escala observado en cúmulos de galaxias» por Massimo Meneghetti, Guido Davoli, Pietro Bergamini, Piero Rosati, Priyamvada Natarajan, Carlo Giocoli, Gabriel B. Caminha, R. Benton Metcalf, Elena Rasia, Stefano Borgani , Francesco Calura, Claudio Grillo, Amata Mercurio y Eros Vanzella, 11 de septiembre de 2020, Ciencia.
DOI: 10.1126 / science.aax5164

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, DC